發(fā)布時(shí)間：2020-05-26 12:10

【摘要】：受巷道掘進(jìn)、工作面開采等多次擾動作用,臨空區(qū)段煤柱將產(chǎn)生損傷累積效應(yīng)。同時(shí),臨空區(qū)段煤柱長期承受上方厚砂巖懸頂結(jié)構(gòu)壓力作用,呈現(xiàn)出顯著的流變特性,導(dǎo)致臨空區(qū)段煤柱存在變形大、片幫嚴(yán)重、支護(hù)困難等安全隱患,給礦井巷道支護(hù)、高產(chǎn)高效等帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本文以小紀(jì)汗煤礦臨空區(qū)段煤柱穩(wěn)定性為研究背景,綜合采用實(shí)驗(yàn)測試、理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬等手段,系統(tǒng)地研究了損傷煤樣的蠕變特性,考慮初始損傷的分?jǐn)?shù)階非線性蠕變模型建立,厚砂巖頂板下工作面臨空區(qū)段煤柱蠕變損傷演化機(jī)理等,取得了以下創(chuàng)新性成果:(1)開展了損傷煤樣三軸壓縮試驗(yàn),獲得了初始損傷變量、加載速率、圍壓下煤樣的三軸應(yīng)力應(yīng)變曲線,分析了三種因素對損傷煤樣變形、峰值應(yīng)力、體積擴(kuò)容、破壞特征的影響,確定了三種因素與損傷煤樣峰值應(yīng)力、擴(kuò)容應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系式。(2)開展了損傷煤樣的三軸蠕變試驗(yàn),獲得了初始損傷變量、加載速率、圍壓下的蠕變特性曲線,分析了三種因素下?lián)p傷煤樣蠕變過程中的軸向變形、蠕變破壞應(yīng)力、變形速率、體積擴(kuò)容、擴(kuò)容應(yīng)力等特征,確定了三種因素與損傷煤樣蠕變破壞應(yīng)力、擴(kuò)容應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系式。(3)基于分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)的基本概念、基本的流變元件、基本的流變組合元件性質(zhì),建立了整數(shù)階非線性黏彈塑性蠕變模型、考慮初始損傷效應(yīng)的分?jǐn)?shù)階非線性黏彈塑性蠕變模型,采用梯度下降與高斯-牛頓法結(jié)合的數(shù)值優(yōu)化算法對整數(shù)階、分?jǐn)?shù)階非線性蠕變模型參數(shù)進(jìn)行了識別,并對二者模型的精度與相關(guān)性進(jìn)行了評價(jià),表明分?jǐn)?shù)階蠕變模型更具優(yōu)越性。(4)依據(jù)小紀(jì)汗煤礦11215工作面覆巖賦存、近工作面頂板特征,分析得到了“厚砂巖頂板工作面”的覆巖“O-X”型破斷及運(yùn)動規(guī)律,基于工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)特征實(shí)測數(shù)據(jù),研究了不同階段的液壓支架工作阻力、周期來壓步距、動載系數(shù)、安全閥開啟次數(shù)、煤柱的應(yīng)力場、位移場與損傷破裂演化特征,揭示了臨空區(qū)段煤柱破壞的外在動力源與內(nèi)部損傷機(jī)制。(5)提出了臨空區(qū)段煤柱突變失穩(wěn)判據(jù),建立了非線性分?jǐn)?shù)階三維蠕變模型,分析了不同初始損傷程度煤柱、不同寬度煤柱、無懸頂結(jié)構(gòu)下煤柱的應(yīng)力場、位移場、損傷場演化特征,確定了初始損傷低、寬煤柱、無懸頂下煤柱穩(wěn)定性較好,提出了臨空區(qū)段煤柱穩(wěn)定控制方法。
【圖文】：

圖 1-1 區(qū)段煤柱片幫及巷道變形實(shí)拍Figure 1-1 Coal pillar spalling and roadway deformation此類礦井的主要特征為：（1）礦井在前期設(shè)計(jì)時(shí)為了方便井下運(yùn)輸、通風(fēng)、高產(chǎn)能等，多采用雙巷、多巷布置，區(qū)段煤柱的留設(shè)尺寸多為20m~30m，煤柱好位于臨空工作面開采后形成的側(cè)向支撐壓力升高區(qū)內(nèi)；（2）區(qū)段煤柱往往受巷道掘進(jìn)、臨空工作面采動等多次擾動影響，在本工作面開采前，煤柱邊緣一范圍內(nèi)為破碎區(qū)，即煤柱已經(jīng)產(chǎn)生一定的損傷累計(jì)效應(yīng)，本文將其定義為初始傷；（3）工作面頂板多以一層或者多層厚砂巖為主，上一工作面開采后會在區(qū)煤柱上方沿著煤層走向及傾向形成大面積懸頂，例如小紀(jì)汗煤礦區(qū)段煤柱上覆本頂厚度20m，側(cè)向懸頂實(shí)測距離為14m；（4）隨著工作面的推進(jìn)，區(qū)段煤柱初始損傷、長期采動應(yīng)力與懸頂載荷的作用，煤柱流變特性顯著，加之懸頂結(jié)的回轉(zhuǎn)、運(yùn)動，巷道圍巖控制難度明顯高于普通綜采工作面，嚴(yán)重威脅著工作區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性及工作面安全高效。

圖 2-1 現(xiàn)場煤樣取芯位置及標(biāo)準(zhǔn)試樣加工Figure 2-1 Core location in mine site and standard coal sample processing2.1.2 試驗(yàn)設(shè)備現(xiàn)有研究表明[147-149]，煤樣力學(xué)性質(zhì)與波速密切相關(guān)。為了減少由于煤樣本身差異性帶來的試驗(yàn)誤差，采用 RSM-SY5 智能聲波檢測儀對加工后的標(biāo)準(zhǔn)煤樣進(jìn)行聲波測試，通過聲波測試選取波速接近的煤樣進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性能的測試，RSM-SY5 智能聲波檢測儀如圖 2-2 所示。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TD32

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2681814